近日，復旦大學現代物理研究所羅濤課題組和湖南大學的張書磊副教授，中科院高能所的董燎原研究員合作，在粲介子半輕衰變的實驗研究中取得重要進展，研究成果以“Test of Lepton Universality and Measurement of the Form Factors of D0→K*(892)-μ+νμ”為題發表在《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 134, 011803 (2025))上。該成果基于中科院高能所北京正負電子對撞機上的的北京譜儀III(BESIII)探測器獲取的實驗數據完成。

量子色動力學(QCD)是標準模型中描述強相互作用的基本理論。1973年，F. Wilczek和D. Gross，與D. Politzer兩組人共同提出了QCD 在高能下的“漸近自由”理論，得到了大量實驗的支持，三人因此獲2004年的諾貝爾物理學獎。但是非微擾能區的QCD理論因其更復雜，尚有待進一步發展和驗證。粲介子的半輕衰變是研究介子中不同夸克之間的弱相互作用和強相互作用的理想場所之一。粲介子的半輕衰變寬度和強子躍遷形狀因子與CKM矩陣元的乘積相關，而強子躍遷形狀因子是用來描述非微擾效應影響下的初末態強子之間強相互作用的重要參數。

研究團隊利用BESIII實驗在束流質心能量√s =3.773 GeV處采集的積分亮度為7.93 fb-1的正負電子對撞數據，首次在實驗中觀測到D0→K-π0μ+νμ半輕衰變過程，并測量了其絕對分支比。通過對D0→K-π0μ+νμ衰變過程開展振幅分析，首次觀測到S波的貢獻，并抽取出當前最精確的D0→K*(892)-μ+νμ衰變過程的形狀因子，如圖1所示。將形狀因子的測量結果與不同的理論模型比較后發現，我們的測量結果與重味介子手征有效理論(HMχT)的理論計算有差異，達到3倍標準偏差。此外，D0→K*(892)-μ+νμ的分支比測量精度比目前的世界平均值提高了5倍，且與Covariant Quark Model和Covariant Confining Quark Model的計算結果有顯著差異。絕對分支比和形狀因子的測量結果為我們提取CKM矩陣元|Vcs|提供了必不可少的輸入。研究團隊還以目前最高的精度檢驗了D0→K*(892)-半輕過程中的輕子普適性，未發現輕子普適性破壞的跡象。這些研究成果將有效推動人們對粲介子半輕衰變在非微擾能區的動力學機制研究，為QCD理論的發展提供更嚴格的約束。

現代物理研究所博士研究生石家磊和其導師羅濤青年研究員、以及湖南大學的張書磊副教授、中科院高能所的董燎原研究員是該研究工作的主要完成人。北京譜儀III探測器維護和離線軟件團隊、北京正負電子對撞機的加速器運行維護團隊為數據采集和分析做出了重要貢獻。

該工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、教育部和復旦大學等支持。

圖一：實驗中觀測到的D0→K-π0μ+νμ候選事例對應的擬合圖，以及對應的振幅分析中五個動力學變量的投影分布圖。帶誤差棒的點表示數據，藍色線表示擬合結果，虛線表示本底的貢獻。